数字化电容式土壤水分传感器设计

数字化电容式土壤水分传感器设计 毕业论文数字化电容式土壤水分传感器设计指导老师 姓 名 学 号 系 别 专 业 申请学位 57摘要为了满足山区果园土壤墒情监测与精准灌溉的要求，需在果园里安装土壤水分传感器用于及时获取果园土壤水分分布信息。而现有土壤水分传感器输出信号多为电压或者电流信号，需要二次仪表有高精度的模数转换电路，电缆的分布参数对传感器的电压信号有干扰，电路复杂设计难度大，能耗较大。为此设计了一种数字化电容式土壤水分传感器。本设计采用容抗法测量土壤的含水率并将土壤含水率信息转换成数字信号输出。由STC12C2052单片机软件生成189Hz的SPWM波形，经低通滤波器稳幅后向一土壤含水率探针发出正弦波脉冲，另一探针输出响应信号，该信号通过CV转换电路得到与土壤电容大小成比例关系的交流正弦信号，通过整流滤波电路再转换成直流信号，单片机内置的ADC把该直流信号编码成数字信号，通过RS232电平信号发送出去。该传感器与传统的传感器相比，输出信号不易受线路传输过程的干扰，采用休眠和唤醒机制节约能耗90%以上，供电电池寿命延长10倍以上。实验结果表明，在936V供电的情况下，工作电流为15mA，休眠电流小于1mA，系统响应时间小于1S，测量精度为1.8，重复性误差为4.44%，迟滞度为6.52%。 关键词：精准灌溉，容抗法，数字化，土壤水分，传感器 AbstractIn order to monitor soil water content of orchard and to cary precision irrigation, Large number of soil water content sensors should be installed in the orchard. However, the existing soil moisture sensors output signal is mostly voltage or current signal which requires that the secondary instrument have high-precision analog-digital conversion circuit to convert it. In addition, the cable distribution parameters have interference in the voltage signal of the sensor and the design of the circuit is difficult, complex and high in energy consumption. What is more, it does not have a sleep function. Therefore, a digital capacitive soil moisture sensor is designed.This kind of design adopts the capacitive reactance method to measure and convert the information of the moisture content of the soil into a digital signal output. The amplitude of 189Hz SPWM waveform generated by STC12C2052 SCM software is fixed by the low pass filter and then gives off a sine pulse to one soil moisture content probe, and another probe outputs the response signal. The signal is converted by the CV conversion circuit and gets the AC sinusoidal signal which is proportional to the soil capacitance. And the signal is converted into DC signal by the rectifier and filter circuit. Then the built-in ADC of the SCM encodes the DC signal into digital signal and sends out via the RS232 level signal.The sensor can effectively solve the interference caused by the process of line transmission and improve the limitation of the data processing of the upper computer. In addition, it has sleep and wake-up function itself. Experimental results show that when the voltage is between 9V and 36V the operating current is 15mA, the sleeping current is less than 1mA, the system response time is less than 1S, the measurement accuracy is 1.8%, the repeatability error is 4.44%, and the hysteresis degree is 6.52%.Key words: precision irrigation, capacitive reactance method, digitalize, soil water content sensor.目录1前言11.1研究目的和意义11.2土壤水分传感器的研究现状11.3研究内容与方法42土壤水分检测机理52.1土壤水分构成52.2土壤与水分关系62.3土壤介电特性63介频式土壤水分传感器123.1介频式传感器的结构设计123.2电容测量电路的设计153.3传感器信号输出电路设计173.4试验设计与分析174数字式土壤水分传感器254.1系统设计254.2稳压电路254.3单片机的选择264.4负电源产生电路264.5低通滤波器264.6通讯接口的选用275单片机程序设计285.1程序模块划分285.2C51程序流程285.3标定试验的设计与分析306土壤水分传感器测试与结果分析316.1测试仪器与方法316.2试验数据分析316.3试验结论317总结317.1结论317.2创新点317.3存在的问题31致谢31参考文献31附录311 前言1.1 研究目的和意义为了满足山区果园土壤墒情监测与精准灌溉的要求，需在果园里安装土壤水分传感器用于及时获取果园土壤水分分布信息。为此设计一种输出信号不易受线路传输过程的干扰、电路结构简单、具有休眠和唤醒功能的土壤水分传感器。现有的土壤水分传感器测量精度高，但是输出信号多为电压或者电流信号，需要二次仪表有高精度的模数转换电路，而且传输电缆长度对传感器的电压或电流信号有影响。研究了一种能将土壤含水率信息转换成频率信号输出的“介频式土壤水分传感器”，并对其特性进行了深入研究，后期为了简化电路、降低系统功耗和增加数字电平信号输出的功能，设计了数字化电容式土壤水分传感器，并研究这种传感器的基本原理和性能。沙田柚是广东省梅州地区经济的支柱产业，对梅州山区经济发展具有举足轻重的作用。沙田柚柚树周年常绿，枝梢年生长量大，挂果期长，叶大果大，对水分要求较高。土壤水分不同的发育时期，对水分的要求有所不同，栽培柚树必须通过灌溉来保证其水分要求。果园干旱缺水，不仅会阻碍果实的正常发育，使产量降低、品质变劣，柚果商品价值低，还会使树体的生长量大大减小。因此，土壤水分含量直接影响沙田柚的产量1。为了满足山区果园土壤墒情监测与精准灌溉的要求，要及时获取果园土壤水分空间分布信息，制定合理的灌溉方案，这就需要在果园安装具有较高精度和可靠性高，输入输出与实时性均满足自动灌溉需要的土壤水分传感器。但现有的土壤水分传感器输出多为电压或电流，而且功耗大，价格普遍昂贵，阻碍了梅州沙田柚种植果园自动化的发展。因此设计一款测量精准、结构简单、成本较低的土壤水分传感器对梅州的沙田柚种植自动化和研究沙田柚需水规律、指导果树的健康生长具有十分重要的意义。由于梅州沙田柚种植地远离无市电的野外果园环境下，经常面临着能源有效供应的问题，这也对传感器提出了更高的要求，为此，设计一种低功耗的传感器显得很有必要。1.2 土壤水分传感器的研究现状测量土壤水分的经典方法是烘干法和张力计法。烘干法可以准确地反映土壤的含水率，通常被用来标定其他土壤水分测量方法。但由于烘干法操作繁琐，无法实现数字化和自动化。张力计法是通过测量土壤张力变化，从而确定水在土壤内的流动方向和渗透深度。但其缺点也很突出，测量范围受土质的影响大，测得的张力需要根据土壤特征曲线换算成土壤含水量，且非线性，容易受到土壤理化特性的影响2。这两种测量方法都不能将土壤水分含量转换为电信号，难以对土壤水分进行在线测试。近100年来，国内外学者对土壤水分传感技术的方法进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。有关土壤水分传感技术的研究，在国外有以下几种不同的实施方案：1.2.1 国外研究现状从上世纪50年代起掀起了土壤水分传感器的研究热潮。现有土壤水分传感器采用的原理主要有中子检测法、射线透射法、电阻法、热导法、介电常数法等。1）中子法中子法属于射线法中的一种，是将中子源埋入待测土壤中，由于中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质中与各种原子和离子碰撞，因能量损失而慢化成为慢中子。当快中子与氢原子碰撞时能量损失最大，慢化更严重，由此形成的慢中子云密度与氢元素含量成正比。土壤的水分含量越高，氢元素含量也越多，慢中子云的密度越大，根据慢中子云的密度与水分子间的函数关系即可得到土壤的水分含量3。其优点是不必取土，不会破坏土壤结构，可定点连续监测，能快速准确得到的土壤水分动态运动规律。但中子法也有自身的不足，测量时，室内外曲线差异较大，不同土壤的物理性质差异也会造成曲线较大的移动，仪器设备价格昂贵，容易造成污染环境，尤其是其辐射危害人的健康 2425。2）近红外线法近红外线法属于遥感法中典型的一种测量土壤水分的方法。其基本原理是利用红外光谱中，某些特定波长的光的能量会被水分子强烈吸收。当红外辐射从物质反射或透射时，辐射的衰减情况可以反映物质的含水量4。在对土壤水分进行测量时，通常使用1.43m和1.94m作为测量波长，在这两种波长下，红外线能够被水分子强烈吸收。用近红外线测试土壤水分可以实现土壤的非接触测量，无破坏性。可实现远距离测量和实时分析。但是受土壤表面粗糙度影响大，同时受土壤表面水分孔隙状况的影响，仅能测量土壤表层含水量 26。3）时域反射（TDR）法时域反射（TDR）法是20世纪60年代末期出现的一种根据物质介电特性测定土壤含水量的方法5。时域反射法的测量原理是，当高频电磁脉冲传播遇到不同的介质时，由于阻抗不匹配发生电磁波反射现象，根据反射回的时间确定物质的介电常数。由于电磁脉冲的传播速度与传播介质的介电常数密切相关，而土壤颗粒、水分和空气本身的介电常数差异很大，土壤水分含量不同时介电常数发生大的变化，因而由电磁脉冲的传播速度可确定土壤的含水量27。TDR法可实现快速、连续、准确地测量，且对土壤无破坏。但电路复杂设计难度大，由于采用传输线技术，不可以测量10cm以内的土壤，仪器价格昂贵，在现阶段不能推广和普及 2829。4）频域反射（FDR）法频域反射（FDR）法也是一种根据介电常数测量土壤水分的方法。其原理是根据高频电磁脉冲在土壤介质中的传播速度测试土壤的表观介电常数，进而得到土壤的体积含水量。FDR由一对电极组成电容介电传感器，其间充满土壤电介质，电容与振荡器组成一个调谐电路，振荡器的工作频率随土壤电容的增加而降低6。频域反射法可实现快速、准确、连续测量土壤水分，不破坏土壤结构，能自动监测土壤水分的变化情况。但在野外进行水分监测应用中，因土壤类型不同而需要标定或校正，在低频时，容易受到土壤盐分、质地和容重的影响 3031。5）驻波率法1995年，Gaskin和Miller提出了基于传输线理论中驻波率（SWR）原理的土壤水分测试方法，这种方法利用高速延迟线测量入射波和反射波构成的驻波率，土壤三态混合物介电常数的改变能够引起传输线上驻波率的显著变化。与TDR、TFR类似，信号源产生的高频电磁波沿传输线传播到土壤探针，由于探针阻抗与传输线阻抗不匹配，一部分信号沿传输线反射回来，另一部分继续沿土壤探针传播。在传输线上，入射波和反射波叠加形成驻波，使传输线上各点的电压幅值发生变化。由于土壤探针的阻抗取决于土壤的介电特性，而土壤的介电特性主要取决于土壤的水分含量，于是，可通过测量传输线上电压的变化反映土壤的含水量789。驻波率法测量土壤水分含量的优点是可以快速、连续地测量土壤水分；成本较低；可适用于多数土壤类型。缺点是采用高频信号，电路设计、信号处理难度大；受土壤盐分的影响较大，测量精度较TDR低 32。6）容抗法电容传感器法是通过测量以固体、水分和空气组成的土壤为介质的电容器的电容进行土壤水分含量测试。由于水的介电常数远大于干土壤和空气的介电常数，土壤水分含量改变，其介电常数发生变化，从而引起电容的变化10。根据传感器的电容值和土壤含水量的关系，可以拟合曲线，因此，只要求出土壤电容传感器的电容，可得到土壤的水分含量。该方法具有较高的精度和可靠性，能够方便地接入自动化采集系统，连续测量土壤水分含量随时间的变化过程，但对土壤电导率敏感。由于电容传感器有价格低、操作频率低、实时测量读数、测量数据准确等如此多的优点，被认为是TDR方法的替代品，论文正是根据电容传感器的思路设计了基于高频电容的土壤水分传感器 3334。1.2.2 国内研究现状在国内，对于土壤水分测试技术的研究起步比较晚，但是随着科技工作者的不断涌现，也取得了很大的进展，已经由最初的烘干法测试土壤水分发展为利用各种传感器或者射线等科学方法实现快速、无损伤的测量土壤含水量。1960年，我国开始利用-射线透视法测量土壤的含水量；1982年，巫新民等人开始进行利用阻抗方法测试土壤含水量11。此外，随着科学技术的发展，国内相关的高校和科研院所都有从事土壤水分含量测试技术和方法的研究。中国科学院南京土壤研究所是较早从事土壤水分研究的科研机构，陈本华等用毛细管张力的方法对测试土壤水分进行了研究12；西北农林科技大学的马孝义等对介电方法测量土壤水分做了大量的工作13；中国农业大学的王一鸣等利用驻波率法测量土壤水分也取得了很大的进展1415；河南农业大学的胡建东等利用电容传感器的方法测试土壤水分做了大量的研究 16 17。2003年，孙宇瑞等设计了一种基于介电方法的土壤含水率介频转换装置，该装置消除了因振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的误差，性能比较稳定18；2005年，孙宇瑞等设计了一种同步实时测量土壤水分如电导率的方法及传感器，该传感器是基于介电理论和频域分析方法的，采用多频率导纳分解法直接测量探针的导纳，分解探针导纳的实部和虚部，通过探针导纳的实部与电损耗的关系得出介质电导率，探针导纳的虚部与介电常数的关系得出介质含水率19。2008年，罗锡文等人设计了一种水分测量传感器，该传感器采用电容法测量水分含量，可以比较有效的测不同深度的土壤水分的含量20；2011年，胡均万等人设计了一种介频式土壤水分传感器，该传感器把含水率信息以频率信号的形式输出，无需使用ADC模数转换电路，在数据传输过程中不易受外界干扰 21。1.3 研究内容与方法为了设计一种适合梅州沙田柚果园的数字化电容式土壤水分传感器，制定了以下具体的研究内容及其研究方法：（1）土壤介电特性分析以土壤为基础，研究土壤含水量的测量方法；研究土壤的构成及土壤介电特性，分析电容传感器与土壤介电特性的关系。（2）介频式土壤水分传感器的设计采用依次点连接的稳幅电路、振荡电路、C/V转换电路、V/F转换电路，设计一种能将土壤含水率信息以频率信号的形式输出的介频式土壤水分传感器。首先，根据土壤介电特性，选择一种灵敏度高，线性特性良好的电压频率转换电路作为电容式土壤水分传感器的伏/频转换电路。其次，设计出介频式土壤水分传感器的硬件电路；然后研究不同规格的探针的特性，选择一种最佳的尺寸方案；最后，根据实际需要，设计介频式土壤水分传感器的外观。利用烘干法对该传感器进行标定，找出其数学规律，并建立数学模型；对电容式土壤水分传感器进行重复性分析，迟滞性分析，稳定性等性能分析，并对建立的介频式土壤水分传感器的输入输出模型进行验证性试验。（3）数字化电容式土壤水分传感器的设计在介频式土壤水分传感器的基础上简化电路、降低系统功耗，设计一种具有数字电平信号输出的功能的数字化电容式土壤水分传感器。论证系统硬件的稳压电路、单片机、负电源产生电路、低通滤波器、土壤含水率探针、C/V转换电路、整流滤波电路和通讯接口的选择，选择最佳的方案；针对该硬件设计系统的程序，并利用烘干法对该传感器进行标定，找出其数学规律，并建立数学模型；对数字化电容式土壤水分传感器进行重复性分析，迟滞性分析，稳定性等性能分析，并对建立的数字化电容式土壤水分传感器的输入输出模型进行验证性试验。从实验上进一步证实数字化电容式土壤水分传感器测试方法的可行性，并对其性能作出分析。2 土壤水分检测机理2.1 土壤水分构成土壤是指覆盖于地球陆地表面能够生长植物的疏松物质层，同其他物质一样，土壤是具有一定的物质组成、形态特征、结构功能的物质实体。土壤由固相、液相、气相三相物质组成，它们之间是相互联系、相互转化、相互作用的有机整体。从总体来看，土壤是一个复杂而分散的多相物质系统，而土壤水分主要集中在土壤的液相部分。固相部分是由大小不同的单个颗粒构成，包括颗粒状的矿物质、有机物质和土壤微生物等。矿物质是土壤中最基本的组成成分，是构成土壤的基本骨架，由岩石中的原生矿物和次生矿物继承和发展而来。有机质是指土壤中所有由动植物来源的物质的总称，通常被吸附于矿物质的表面形成有机无机复合体，是组成土壤的重要物质基础。微生物是土壤的分解者，在土壤有机质和养分的转化过程中起着活化土壤物质并释放有效养分的重要作用。液相部分，指外界水分进入土壤，以水膜形态保持于矿物质颗粒的表面和较小的孔隙中形成的土壤水。土壤水是地表水和地下水之间的过渡环节，其中存储的水量主要随大气降水或灌溉的补给而增加，通过蒸发蒸腾的消耗而减少，并在土壤中存储之外的剩余水经下渗漏或形成地表径流而排出。土壤水分的动态受重力、土粒表面的分子引力、毛细孔隙的毛管力、植物吸收压力和蒸发力等因素的控制。按土壤水分的形成和与土壤的关系，可分为以下主要类型：（1）吸湿水，是指土壤依靠土粒与水分子间很强的分子引力把空气中的气态水吸附在土粒表面而形成的一层薄水膜。土壤保持吸湿水的最大量因土壤胶体的数量和质量而不同，质地粘重及含蒙脱土多的土壤含吸湿水量最高。吸湿水溶解盐类的能力弱，具有固态水的性质，不能流动。土壤吸附这种水分子的能力很大，因此不能为植物所利用。（2）膜状水，指当吸湿水充满之后，土粒继续依靠分子引力吸收水分从而加厚土粒外表的水膜形成的薄膜水。土粒对这种水分子引力较弱，与液态水相似，能从薄膜稍厚处向较薄处移动，有少数水分可供植物利用。（3）毛管水，指当膜状水充满后，毛细孔隙靠毛细管的吸引力而保持的水分。这种土壤水分具有活动性，可向蒸发和低湿度的方向运动，是植物有效水分的基本来源。毛管水可分为两种：一种是靠降水或灌溉供给并与地下水无联系的毛管悬着水；另一种是由地下水层上升的毛管上升水，其上升高度因质地和毛细孔隙的大小而不同。（4）重力水，是指当毛管水达到最大毛细管持水量后，继续补充水分，存在于大孔隙中的水因重力作用下移的水分。当排水良好时，重力水很快消失，成为不能保持和被植物利用的一种水分；当水分过多时成为渍水，只有水生植物可以适应和利用。天然水都不是纯水。大气降水中通常含有少量二氧化碳、氧气和其他物质，进入土体后对固体物质有较大的溶解性，从而成为土壤溶液。所以，土壤水实际上是成分复杂的溶液，含有各种无机盐类及可溶性有机化合物。气相物质，指大气进入土壤被保持于土壤孔隙中形成的土壤空气，主要含有N2、O2、CO2和水汽，成分与大气基本相似，但氧含量比大气中的少，二氧化碳含量比大气中的多，水汽较大气中的多而稳定且经常处于近饱和状态。土壤空气经常与大气进行交换，若土壤中的大孔隙多，通透性好，气体的交换就强；反之则弱。在土壤内部，土壤空气也与土壤溶液、地下水、固相物质之间经常地进行着物质的交换，一部分气体不断被固相、液相所吸收，同时也有一部分气体从其中逸散出来。综上所述，土壤是一个多相分散体系，由固体、液体和气体物质按一定比例组合而成；而土壤水分是土壤液体的主要部分。在土壤组成成分中，土粒的粗细含量、有机质与矿物质的比例以及由孔隙状况决定的土壤空气和水分的比例等，构成了不同的土壤质地。土壤的水分含量与土壤质地、土壤密度、土壤容重等土壤参量有关，是反映土壤湿度状况的重要因素。2.2 土壤与水分关系土壤水是土壤重要的组成部分，也是土壤肥力最活跃的因素之一。土壤水在土壤形成过程中起着极其重要的作用，表现在土壤剖面的土层内各种物质的运动转移主要是以水溶液的形式进行的。同时，土壤水在很大程度上参与了土壤内部发生的许多物质转化过程，如矿物质风化、有机化合物的合成和分解等。土壤水是作物吸收养分、矿物质离子和水分的最主要来源，也是自然界水循环的一个重要环节，处于不断的变化和运动中，影响着作物的生长和土壤中许多化学、物理和生物学过程。因此，水在土壤中起着非常重要的作用，是不可缺少的物质。2.3 土壤介电特性2.3.1 介质物理在介质物理中，任何电介质都是由分子组成的，分子中正负电荷重心并不一定重合，若分子的正负电荷作用重心重合在一起，称为非极性分子；若分子的正负电荷作用重心不重合，则形成电偶极子，称为极性分子。当外加电场作用于非极性分子时，正负电荷重心产生相对位移；当外加电场消失后，正负电荷重心又重新重合在一起，这种极化形式称为位移极化22。而对于极性分子来说，由于分子热运动，在没有外加电场时，这些偶极子的排列是杂乱无章的，对外不显电性；当外加电场时，这些偶极子沿外加电场的方向排列，外加电场越强，排列越整齐，偶极子的这种随外加电场取向排列的过程，称为极性分子的取向极化。非极性分子的位移极化与极性分子的取向极化，实质上都是在介质表面出现极化电荷，极化电荷的活动范围很小，仅局限于分子内部，称为束缚电荷；由于束缚电荷而呈现电性的物质，称为电介质。电介质按组成方式可分为由非极性分子组成的非极性电介质和由极性分子组成的极性电介质。当外加电场存在时，电介质内部并不显电性，只有在电介质靠近电极两端引起束缚电荷极化时才形成正负电荷。由于电极化的过程与物质的结构密切相关，自上世纪二十年代以来，随着对物质分子结构的研究，电极化现象逐渐被认识。物理学界普遍认为，电极化的基本过程有以下三个：（1）原子核外电子云的畸变极化，即电子位移极化；（2）分子中正、负离子的相对位移极化，即离子位移极化；（3）分子固有电矩的转向极化23。在外界电场作用下，介质的介电常数是综合反映这三种微观过程的宏观物理量，它是频率的函数()。当频率为零或频率很低（例如1KHz）时，三种微观过程都参与作用，可能出现电子极化、离子极化和偶极子转向极化，这时介电常数(0)对于一定的电介质而言是一个常数，通称为介电常数，即静电介电常数s或低频介电常数。随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化落后于外界电场的变化时，介电常数取复数形式，其中虚部()代表介质损耗，它是由于电极化过程追随不上外电场的变化而引起的。随着频率的增加，实部显著下降，虚部出现峰值，这种变化规律称为驰豫型，如图2.1所示。介电常数随频率发生变化的现象称为色散现象。偶极子转向极化在电频范围内的色散现象是一种驰豫色散，这是由于分子间相互碰撞或周围分子的束缚作用而引起的。频率再增加，实部()降至新值，虚部()变为零，表示分子固有电矩的转向极化不再响应。当频率进入到红外区，分子中正负离子电矩的振动频率与外场发生共振时，实部()突然增加，随后迅速下降，()又出现峰值。此后，正、负离子的位移极化不再起作用。图2.1介质的损耗和色散2.3.2 复介电常数通常情况下，填充有电介质的电容器都是有损耗的。一个理想的没有损耗的电容器，两极板间为真空，电容量为C0。当两极板间加有角频率为的正弦波信号V时，流过电容器的电流为：I=jC0V （2-1）其中，j为虚数单位，j=，表示I与V有90的相位差，如图2.2所示，其中（a）图表示真空电容，（b）图表示电容两端电压和电流关系。若在电容器的两极板间充满介电常数为的电介质，则产生损耗，电容量将增大为：C=C0 （2-2）而通过填充有电介质的电容器的电流为：I=jCV （2-3）这时，电流I比电压V的位相差总是略小于90。其电容器如图2.3所示，其中（a）图表示介质电容，（b）图表示阻容并联等效电路，（c）图表示阻容串联等效电路，（d）图表示电容两端电压和电流关系。图2.2 真空电容器图2.3 充满电介质的电容器取电压V沿实轴方向，电流I在实轴的分量记为C0V，在虚轴的分量记为C0V，其中和为两个实参数。所以有：I=C0V +jC0V=j（-j）C0V （2-4）于是得到：= -j （2-5）即相对介电常数的复数形式，其中，和分别为复相对介电常数的实部和虚部。充满介质的电容器，可以等效为阻容Rp和Cp并联形式或者阻容Rs和Cs串联形式，其中并联等效电路参数为：Cp=C0 （2-6）Rp= （2-7）其物理意义为：虚部相当于在电容器上并联一个等效电阻Rp，越大，Rp越小，在相同交变信号下旁路引起的损耗越大，即虚部表示电介质损耗的大小。串联等效电路参数与并联等效电路参数之间有如下关系：(CsRs)-1=CpRP （2-8）CsRs+CpRp=CsRp （2-9）损耗引起的相移角正切为：tan=(CpRp)-1=CsRs （2-10）其中，称为损耗角；当损耗不太大的时候，等于和之比。实际上，两种等效电路描述了两种不同的损耗机制。并联等效电路描述了由介质的漏电电流引起的损耗，电介质的微小电导作用好像在电容器上并联了一个纯电阻。串联等效电路描述了电介质在交变电压作用下反复极化所产生的损耗，好像极化过程存在某种阻力。在并联和串联等效电路中，、与频率的关系如图2.4和2.5所示。图2.4 并联等效电路、与频率的关系图图2.5 串联等效电路、与频率的关系通常情况下，当频率不太高时，介质的微弱电导产生的漏电电流在损耗中占主要地位；在串效电路中涉及的是与电导无关的介电响应问题，如弛豫现象等。2.3.3 土壤介电特性水是强极性分子，在外加电场作用下产生很强的取向极化，同时还产生位移极化。极化的结果将外加电场的能量转换成水分子的势能，即将从外加电场获得的能量储存起来，可用复介电常数的实部表示。由于分子运动的惰性，转向极化运动相对于外电场的变化在时间上存在滞后，即弛豫现象；弛豫在宏观上使水分子产生损耗，可用复介电常数的虚部表示。在外电场作用下，水的极化程度远大于其他物质。因此，通过测量含水物质在一定频率下的介电常数，便能间接得到物质的水分含量。在一定的电磁频率下，水具有稳定的相对介电常数78.5（25时），而土壤颗粒、空气的介电常数远小于水，土壤的介电常数随土壤含水量的增大而增大。尽管应用介电法测量土壤水分可采用不同的技术方法，但实质上都是根据土壤介电特性随含水量的变化测量土壤介电常数，进而确定土壤的水分含量。影响土壤介电特性的因素很多，但土壤各成分的介电特性和相对含量是最主要的因素，可用反映这两个因素的模型来描述。从马孝义对土壤的研究可知，在利用介电常数法测定土壤水分的电磁频率范围内，土壤的介电特性服从下面的公式： （2-11）式中、G、分别为土壤的干容重、比重、体积含水量；、w、s、分别为土壤、土壤水分、土壤颗粒、空气的介电常数特性，其中，=1，s随土壤颗粒的化学组成不同而变化，w随温度T的改变而变化。土壤作为一种特殊的介质，它的相对介电常数也可用一个复数r描述35，包括表示能量存储的实部r和表示能量损耗的虚部r。介电常数是电磁频率的函数，其值随着频率的变化而改变。表示为：r()= （）-j（） （2-12）式2-12中，j=，=2f为角频率，虚部r是传导性和弛豫性的和函数：（）= （2-13）式2-13中，是离子传导率，单位为/；0=8.854210-12F/m，为真空的介电常数，是由于电磁弛豫引起的损失。土壤的电容能够从测量土壤的介电常数得到：C=g （2-14）式2-14中，C是电容，单位法拉；g是几何因数L，与电磁穿透介质的电极结构和形状有关。根据Topp的研究36，土壤体积含水量与介电常数的关系：=-5.3x10-2+2.92x10-2-5.5x10-4+4.3x10-6 （2-15）通过对比常见的测试土壤水分含量的几种方法，结合准确性、适应性、技术难度、对人体影响以及成本状况等特性分析，可知，土壤介电常数是土壤物质的一种重要特性，利用电容的这一种特性测量土壤水分便成为一种合理科学的方法。3 介频式土壤水分传感器土壤的介电特性确定土壤水分含量是土壤水分测量的一种重要方法，电容式土壤水分传感器具有较高的精度和可靠性，具有多次测量重现性好的特点，能够方便地接入自动化采集系统，连续测量土壤水分含量随时间的变化过程。但现有土壤水分传感器输出信号多为电压或者电流信号，需要二次仪表有高精度的模数转换电路，难以得到推广应用。故设计了一种能将土壤含水率信息转换成频率信号输出的“介频式土壤水分传感器”，并对该传感器进行各项性能指标的测试。3.1 介频式传感器的结构设计综合国内外土壤水分传感器的优点，设计了一种介频式土壤水分传感器，其包括土壤探针1、介频转换电路2和外壳3，土壤探针1由两根相互平行的耐腐蚀导电电极构成；介频转换电路2由振荡电路、稳幅电路、C/V转换电路和V/F转换电路构成，土壤探针 1与周围的土壤介质构成一个电容，电容容量与两根探针之间土壤水分有关，介频转换电路2中的C/V转换电路将其电容容量转换为电压信号，再由介频转换电路2中的V/F转换电路把电压信号转换为频率信号并输出，该信号的频率与土壤水分成线性关系。图3.1传感器结构设计图1、土壤探针 2、介频转换电路 3、外壳3.1.1 介频式传感器电极结构的设计1）圆筒型电极结构如图3.2所示：图3.2 圆筒型电极结构筒形电容由两个同心金属圆柱面作为电极。两电极高为L，内电极半径为r，外电极半径为R。当LR-r时，可忽略圆柱体的边缘效应。设电容器两极板各带电荷+q和-q时，若忽略圆柱面间的电场具有轴对称性，故两圆柱间离开圆柱轴线距离S处的电场强度（E）为： （3-1）两极板间的电势差（）为： （3-2） （3-3）由电容的定义可得： （3-4）当两极间放入相对介电常数为的物质时， （3-5）但是从圆筒型电极的结构来分析，当电极完全插入土壤时，与土壤介质构成一个电容，但他们的数学模型非线性，并且考虑到电极取出土壤后，会有少量土壤残留两级之间，不易清洗。基于上述两点，圆筒型电极不适合土壤水分的测量。2）探针式电极结构将探针式电极等效于两平行极板，由电容器的电容C可按下述定义式计算 (3-6)其中，为两极板的电势差，为极板所带的电量。对于平行板电容器，当两极板间为空气时，其电容为 (3-7)其中，S为极板的面积，d为两极板的间距。若极板间为任意介质，其介电常数为，用相对介电常数表示，有，则 （3-8）图2.3 等效平行板图探针式电极完全插入土壤时，等效于两平行极板与土壤介质构成一个电容，它们的数学模型为线性，并且考虑到电极取出土壤后，不会有土壤残留两级之间，易于重复使用。故选择，传感器的电极采用探针式。3.1.2 介频式传感器电极材料的选择方案一：铜。铜具有良好的导电性能，但通电后的铜插进含水的土壤里容易氧化，长期工作后表面会产生铜绿，影响构成电容的介电常数。方案二：不锈钢。不锈钢的导电性能不及铜，但通电后的不锈钢插进含水的土壤里不容氧化，能长期工作稳定。为了延长传感器寿命，所以选择方案二采用不锈钢材料作传感器电极。3.1.3 介频式传感器电极形状的设计方案一：扁条形。扁条形的两探针在探针距离相同的情况下，相对面积最大，但扁条形探针在使用过程中容易发生侧面形变，严重影响了传感器的重复使用。方案二：方条形。方条形探针在使用过程中不容易发生侧面形变，有利于传感器的重复使用，但方条形探针不容易加工。方案三：圆条形。圆条形探针在使用过程中不容易发生形变，有利于传感器的重复使用，且方便加工，在探针间距相同的情况下做出容值相同电容器，圆条形探针比方形探针更省材料。由于探针式电极比圆筒型更适合土壤水分的测量，土壤含水率探针采用圆条形探针有利于延长产品的使用寿命和降低成本，两探针平行等长，端部削尖利，更容易插入土壤中。两平行等长不锈钢探针与土壤构成一个电容，当土壤的种类一定时，其电容量与土壤的含水率成线性关系。3.1.4 介频式传感器的外观设计基于上述原理，通过对硬件电路的设计，结合电容式土壤水分传感器的实际需求，设计出合适的外观。该电容式土壤水分传感器分为硬件电路，外壳和一对探针三部分。如图3.4所示：图3.4 电容式土壤水分传感器外观如图3.4所示，电路板在环形硬质塑料外壳内，能够延长使用寿命，并且不易受外界干扰，并且使得电容式土壤水分传感器测量的准确度较高，稳定性好。选用两个平行等长的不锈钢探针作为电容式土壤水分传感器的电极。当两探针完全插入土壤介质后，构成一个电容，该电容随着土壤含水率的不同而改变其大小。当该电容两端加激励信号时，该探针输出一个与土壤含水率大小成比例的电容信号。3.2 电容测量电路的设计本设计采用容抗法测量电容，电路如图3.5所示，这也是电容测量中较常用的测量方法。它的优点是电容测量能自动调零。容抗法测量电路由振荡电路、稳幅电路、电容电压转换电路、滤波电路、二倍压整流电路等五部分电路组成，如图3.5所示。容/压转换电路整流电路稳幅电路振荡电路滤波电路图3.5 容抗法测量电路结构框图电路的基本原理是：首先利用400Hz正弦波信号将被测电容量Cx变成容抗Xc，再把容抗转换成交流电压信号，经过交直流转换取出平均值电压，最终把对电容的测量变成对直流电压的测量。容抗法测量电路的原理图如图3.6所示：图3.6 容抗法测量电路的原理图从图3.6得知，容抗法测量电路包含文氏桥振荡电路，稳幅电路，电容-交流电压转换电路，二阶滤波电路，二倍压整流电路等电路模块。（1）文氏桥振荡电路振荡电路由运算放大器与RC串并联选频电路组成文氏桥振荡电路，振荡电路用于产生峰值为5V、频率约为400Hz的交流激励信号。振荡频率公式为： （3-9）取，则有（2）稳幅电路稳幅电路由运算放大器组成的负反馈电路，降低波形的波动幅度 （3-10）取，可得 （3）电容-交流电压转换电路电容-交流电压转换电路由运算放大器及其外围原件组成，它所输入的激励信号是固定的，其输出的交流电压与两探针的电容大小成正比。 （3-11）转换系数为 （3-12）取=100，为常数，令，则有 （3-13）（4）二阶滤波电路二阶带通滤波器由运算放大器及其外围RC元件组成，其中心频率与激励信号的频率相同，它可滤除干扰信号。频率特性为： （3-14）取， ，中心频率为（5）二倍压整流电路二倍压整流电路由电容C8、C9和二极管D5、D6组成，它将交流信号转换成一个与探针电容的容量成正比例的直流电压信号。其转换公式为： （3-15）该电路最大的优点是测量电容时，不需要重新调零。而脉宽调制法测量电路的缺点是电路本身不能自动调零，每次测量前都要手动调零。采用容抗法测量电容量可圆满解决上述问题。3.3 传感器信号输出电路设计采用容抗法测量与土壤含水率相关的土壤电容，得到与探针电容容量成正比的直流输出电压，还需将此信号输出给上位机，这就需要设计输出电路。方案一：直接将整流电路出来的电压信号输出。上位机等接收设备需要ADC模数转换电路，在数据传输过程中易受到导线长度的干扰。方案二：输出电流信号。在传感器上需设计电压转电流电路，同样的，上位机等接收设备需要ADC模数转换电路，在数据传输过程中易受到导线长度的干扰。方案三：将土壤含水率信息转换为与之成正比的频率信号输出。上位机可以无需使用ADC模数转换电路，可以使数据在传输过程中的免受干扰。方案四：将土壤含水率信息转换为RS232电平的数字信号输出。上位机一般都有RS232接口，采用此数据传输方法具有通用性，但在电路中需增加数字电路，增加了传感器的成本。考虑本设计的合理性和抗干扰性，选择方案三作为此传感器输出电路。设计电路时采用了美国NS公司生产的性能价格比较高的LM331集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。它采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB线性度好，最大非线性失真小于0.01%，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成伏/频转换电路和频/伏转换电路等变换电路，并容易保证转换精度。3.4 试验设计与分析传感器是把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。但在测量过程中，需要对输出的电信号与输入的物理量或化学量进行建立对应的数学关系，这就需要对传感器进行标定。3.4.1 传感器的标定传感器的标定，就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，通过实验建立传感器输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。1）实验材料和设备装置（1）实验用的土样土壤种类繁多，而土壤的成分是十分复杂的，每种类型的土壤对传感器的敏感度均不相同。为使研究具有典型性，选取梅州柚园普遍的沙土进行试验。（2）实验设备（a）电子秤烘干法实验中，需要对土样进行称重，为了得到比较准备的土样质量，采用纪铭牌电子秤JM10001型号进行测量，该电子秤的精度为0.1g，量程为1000g。（b）干燥箱实验过程，需要将自然界的土进行烘干，然后根据实验需求配置不同含水率。首先将取回的土壤进行烘干处理，此过程需要使用干燥箱对其烘干。当用烘干法确定土壤含水率的时候，也需要将配置好的土样进行烘干处理。采用上海森信DGG-9070立式鼓风干燥箱（控温范围：10200，温度波动：1）进行对土样烘干处理。（c）TRIME-P3土壤水分测定仪为了更好地了解自制土壤水分传感器的性能，采用德国生产的TRIME-P3土壤水分测定仪作为对照实验。将自制土壤水分传感器和TRIME-P3土壤水分传感器测量同一样本，将所得数据进行处理，比较两传感器的的线性相关性和敏感度。（d）其他的材料及装置实验中，其他材料和装置如表3.1：表3.1 实验材料表装置与材料型号或规格数量分样筛孔径1mm1个盛土容器PVC若干保鲜薄膜25m*20cm2盒铝盒圆柱形，直径5.5cm，高3.5cm30个电子秤型号JM10001，量程1000g，精度0.1g1台电热恒温鼓风干燥箱上海森信DGG-9070A1台示波器Tektronix的TDS3052B示波器1台介频式土壤水分传感器自制1个土壤水分传感器TRIME-P31个2）标定方法及其步骤（1）传感器标定的方法和步骤（a） 将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；（b）根据传感器量程分点情况，逐步输入标准量值，记录下与输入值相对应输出值；（c）将输入值由大到小逐步的减少下来，同时记录下与各输入值相对应的输出值；（d）按(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出及绘制成曲线；（e）对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。（2）具体实验方法和步骤取三种土样，用铁锤将土壤击碎，放入具有编号的脸盆内。 （1）土样的设计（a）将三种不同种土壤盛在铁盘中，放入恒温干燥箱烘干至恒重；（b）将土壤通过1mm的分样筛，将同种土壤分成体积为500g的若干等分；（c）取烘干土样一份，加水至饱和，并记录相应的数据；（d）计算饱和土样的含质量含水率，从0到该饱和含水率之间均匀取若干个点。（2）标准土样的配置（a）取一份放入脸盆，用喷水器把一定体积的水均匀喷洒在土壤上，用起子将水与土充分搅拌均匀；（b）将土样装入盛土容器中，在装入过程使用夯土棒槌将其压实，尽量保持相同的压实度，并在盛土容器上编号，加保险膜密封，用胶圈箍紧；（c）静置24小时，让土壤水分充分扩散。（3）土样测量（a）用自制传感器和TRIME-P3土壤水分传感器两探针插入待测样本中，输出端连接示波器探头；（b）用两探针重复五次插入待测样本中，在示波器上读出频率，并记录数据。（4）烘干法确定土样含水率（a）用铁勺取出一小部分样品放入铝盒中，并编号，加盖，放入铁盘；（b）重复（a）操作，直至所有样品处理完毕；（c）将盛有样品的铝盒放在电子秤上称重，并记录数据；（d）重复操作，直至所有样品处理完毕；将盛有铝盒的铁盘放入烘干箱内，温度设置105OC，运行24小时；（e）将所有盛有样品的铝盒在电子秤上逐一称重，并记录数据。（5）重复上述过程，分别配置成一系列不同含水率的土样，用自制传感器测量其含水率，然后用烘干法确定其含水率。3）标定结果及分析数据处理是实验的重要环节，数据处理结果也是实验是否成功的重要依据。经过5.2.2所述的实验步骤，得出各土样的含水率和由电容式土壤水分传感器测得的频率值和由TRIME-P3土壤水分测定仪测得的电压值。具体数据见附录。（1）数学模型的建立利用excel的曲线拟合功能，对所得的实验数据进行数学建模，确立传感器输入值输出值的数学关系。（2）重复性分析重复性是值传感器在输入量按同一方向作全量程连续多此变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差来计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算，即 （3-16）或： （3-17）（1） 迟滞性分析传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（逆行程）变化其间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程中范围内最大方的迟滞差值Hmax与满量程输出值YES之比称为迟滞误差，用表示，即 （3-18）5）验证性实验和稳定性分析电容式土壤水分传感器经过标定后，建立了相应的数学模型，按照给定的自变量，利用